脉冲储能陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，涉及脉冲储能陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着全球范围内能源消耗的急剧増加和生态环境日益恶化，各国均加快了对可再生能源技术如太阳能、风能、热能等进行了广泛的开发研究工作以期减轻甚至替代对化石燃料能源的使用。在此背景下，更有效地储存和提供电能的储能元器件的开发和硏制工作受到了更加广泛的关注。与电化学超级电容器、锂电池和燃料电池等储能器件相比，介质电容器有偏低的能量密度,较高的功率密度，并且能够在极短的时间内以脉冲功率的形式将能量释放至负载。具有高的储能密度、快的充放电速度、稳定的工作性能、可在大电流和高温高压下工作以及优良的循环性能。在脉冲功率设备中，作为储能元件的电容器在整个设备中占有很大的比重,是极为重要的关键部件。在新能源发电、混合动力汽车、生物医疗、石油勘探、国防军工等领域有着重要的应用价值。面对复杂环境和高度集成信息化的趋势，全固态多层陶瓷脉冲储能电容器具有小型化、片式化、可靠性高等特点，已成为高性能脉冲储能电容器的必然选择。

发展高性能脉冲储能电容器的核心在于研发具有优良储能性能的介质材料。目前，介质储能材料主要有以下几类：反铁电储能介质，弛豫铁电储能介质，线性储能介质，铁电储能介质。其中，弛豫铁电材料以其低的剩余极化强度(Pr)、高的最大极化强度(Pmax)、适中的抗电强度(BDS)，高的储能效率(η)和良好的充放电稳定性等优点引起广泛关注。(Sr

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高抗电强度、高储能密度、高储能效率，生产工艺简单、成本低廉的脉冲储能陶瓷材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种脉冲储能陶瓷材料，包含主晶相和改性添加剂；所述主晶相化学通式为Sr

作为优选方式，所述改性添加剂中，Er

为实现上述发明目的，本发明还提供一种脉冲储能陶瓷材料的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：Sr

步骤2：将步骤1所得粉料与MgO球磨混合均匀后造粒、成型，得到生坯料；其中所述MgO的加入量占所述步骤1所得粉料质量的y wt.％，0.1≤y≤5，得到Sr

步骤3：当加入添加剂时，将步骤2所得主晶相粉料与Er

步骤4：烧结；加入添加剂时，将步骤3所得生坯料在1150～1350℃下保温烧结1.5～3小时，冷却后得到最终的脉冲储能陶瓷材料；当不加入添加剂时，将步骤2所得主晶相粉料在1150～1350℃下保温烧结1.5～3小时，冷却后得到最终的脉冲储能陶瓷材料。

作为优选方式，步骤3所述改性添加剂中Er

作为优选方式，步骤1中所述球磨工艺为：以二氧化锆球为球磨介质，以去离子水为溶剂，按照料、球、水的重量比为1:(3～5):(0.5～1)进行球磨3～12小时；步骤2和步骤3中所述球磨工艺为：以二氧化锆球为球磨介质，以去离子水为溶剂，按照料、球、水的重量比为1:(3～5):(0.5～1)进行球磨4～24小时。

作为优选方式，步骤2中所述造粒工艺为：以球磨混合料干燥后与聚乙烯醇水溶液混合后造粒，造粒尺寸控制在80～250目。

作为优选方式，步骤3中所述成型工艺为：将造粒料放入成型模具中于10MPa压力下干压成型得到生坯料。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种脉冲储能陶瓷材料，由上述所述制备方法得到。

本发明提供(制备)的脉冲储能陶瓷材料，经检测具有较低的损耗，较高的抗电强度，较高的储能密度和较高的储能效率。其制备工艺较为简单，与传统陶瓷生产工艺过程基本相同，同时能够获得结构致密和良好储能性能的脉冲储能陶瓷材料。

用XRD衍射法对Sr

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、本发明的配方中不含Pb、Cd等挥发性或重金属，是一种环保脉冲储能陶瓷材料。

2、现有技术配方中所制备的样品往往表面形貌不致密，限制了储能性能的提升，不能满足工艺应用要求，本发明采用A位过量和微量掺杂获得了结构致密的表面形貌。

3、原材料在国内充足，价格低廉，使高性能脉冲储能陶瓷电容器的成本化成为可能。

4、性能有较大提升：抗电强度由260kV/cm提升至305～345kV/cm，储能密度较高(在197kV/cm电场下为2.08J/cm

5适于制作脉冲电容器的介质材料，能满足脉冲陶瓷电容器的制作要求。所述制备方法具有简单、易控、环保和成本低廉的特点。

附图说明

图1是本发明制备的Sr

图2是本发明制备的脉冲储能陶瓷材料扫描电镜SEM图。

图3是本发明脉冲储能陶瓷材料的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

实施例1-7(不含改性添加剂)

一种脉冲储能陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：

Sr

第二步：

称量预烧后的Sr

其中所述球磨工艺为：以二氧化锆球为球磨介质，以去离子水为溶剂，按照料、球、水的重量比为1:(3～5):(0.5～1)进行球磨4～24小时。

第三步：

烧结；将步骤二所得主晶相粉料在1150～1350℃下保温烧结1.5～3小时，冷却后得到最终的脉冲储能陶瓷材料。其烧结工艺和性能检测结果见表3。

表1脉冲储能陶瓷材料Sr

表2脉冲储能陶瓷材料Sr

表3脉冲储能陶瓷材料Sr

实施例8-17(含有改性添加剂)

第一步：

步骤1：Sr

所述球磨工艺为：以二氧化锆球为球磨介质，以去离子水为溶剂，按照料、球、水的重量比为1:(3～5):(0.5～1)进行球磨3～12小时；

第二步：

将步骤1所得粉料与MgO球磨混合均匀后造粒、成型，得到生坯料；称量预烧后的Sr

所述球磨工艺为：以二氧化锆球为球磨介质，以去离子水为溶剂，按照料、球、水的重量比为1:(3～5):(0.5～1)进行球磨4～24小时。

第三步：

按表3中比例准确称量各原材料，将步骤2所得主晶相粉料与Er

其中所述球磨工艺为：以二氧化锆球为球磨介质，以去离子水为溶剂，按照料、球、水的重量比为1:(3～5):(0.5～1)进行球磨4～24小时。

所述造粒工艺为：以球磨混合料干燥后与聚乙烯醇水溶液混合后造粒，造粒尺寸控制在80～250目。

所述成型工艺为：将造粒料放入成型模具中于10MPa压力下干压成型得到生坯料。

第四步

烧结；将步骤3所得生坯料在1150～1350℃下保温烧结1.5～3小时，冷却后得到最终的脉冲储能陶瓷材料。其烧结工艺和性能检测结果见表4和表5。

表4脉冲储能陶瓷材料

表5脉冲储能陶瓷材料

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。